Глава 4 Жестокий мир электронов

В двух последних главах, хоть вы всего лишь наблюдали за взаимодействием холодильника и магнита и скользили по поверхности атома, вы успели сделать великие открытия. Вы разгадали тайну «дальнодействия» электромагнетизма и увидели, как материя и свет могут играть друг с другом. Конечно, эта игра – только один из аспектов нашего мира, но действительно феноменально, что скромные человеческие чувства созданы, чтобы ощущать ее. Свет постоянно попадает на наше тело, возбуждая электроны нашей плоти, глаз и их сетчатки, нагревая создающую нас материю и сообщая ей некоторую энергию. Атомы также могут выплевывать обратно свет, проглоченный их электронами, что заставляет нас и окружающие предметы «светиться» одним или несколькими цветами, цветами атома – или множества атомов, – поглотивших фотоны. Это то, что придает цвет нашим глазам, коже, волосам и одежде, всем растениям и камням, а также особый оттенок далеким звездам. Лучи света падают на помидор; весь видимый свет поглощается, нагревая его или сохраняясь внутри, за исключением бесполезных для атомов помидора лучей красной части спектра, которые исторгаются обратно для дальнейшего путешествия, одновременно говоря глазам, что мы смотрим на превосходный красный овощ. Без электронов и фотонов мы не увидели бы ни помидоры, ни друг друга, а также не узнали бы, из чего состоит остальная часть Вселенной и подчиняются ли ее дальние уголки тем же физическим законам, что существуют вокруг нас. Но еще удивительнее то, что благодаря чувствам наши тела преобразуют все эти невероятные взаимодействия в обработанные мозгом ощущения. Человечество вывело из этих взаимодействий науку, а также выяснило наличие заполняющих всю Вселенную полей. И это не просто удивительно, а настоящее чудо.

БЕЗ ЭЛЕКТРОНОВ И ФОТОНОВ МЫ НЕ УВИДЕЛИ БЫ НИ ПОМИДОРЫ, НИ ДРУГ ДРУГА, А ТАКЖЕ НЕ УЗНАЛИ БЫ, ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ ОСТАЛЬНАЯ Часть ВСЕЛЕННОЙ.

Теперь как насчет атомного ядра? Оно тоже состоит из электронов? Оно – еще одно выражение электромагнитного поля? В некотором роде да, до тех пор пока вы можете утверждать, что весь рассматриваемый вами атом водорода электрически нейтрален. Тогда ядро также должно иметь заряд, противоположный окружающим его электронам, таким образом, они взаимно уравновешиваются, если смотреть на расстоянии. Но почему же тогда вы не видите?

Пока ваше крошечное Я пристально всматривается в атом водорода, плавающий посреди кухни, вы вдруг замечаете, что этот водород ужасно похож на кучу пустого места по сравнению с его содержимым, независимо от того, из чего может состоять его ядро. Факт, что между ядром и электронами находится некоторое количество пустоты, на самом деле общий для всех известных атомов Вселенной.

Странно.

Почему же тогда магниту просто не пройти сквозь поверхность холодильника, чтобы обширные пустые пространства атомов магнита проникли в такие же обширные пустые пространства атомов металлической двери? Почему вместо этого магнит прилипает к ней? Разве не следует сталкивающимся атомам просто столкнуться и пройти мимо друг друга, как два облака пара, даже не заметив взаимного присутствия? Ну нет. К счастью. Иначе мир не был бы твердым. И причиной тому являются электроны, а не ядра. Чтобы выяснить почему, пригодится уже приготовленный вами атом золота.

Рассмотренный вами атом водорода является самым маленьким атомом на Земле. Атом золота больше. Вы оказываетесь рядом и разглядываете его.

Первое, что вы замечаете, это то, что у него не один-единственный волнообразный электрон, носящийся вокруг ядра водорода, а целых семьдесят девять абсолютно идентичных волнообразных электронов, кружащихся вокруг ядра.

Вторая замеченная вами вещь состоит в том, что, какими бы одинаковыми электроны ни казались, эти волнообразные создания не делятся своей территорией. Вообще. Они попросту избегают находиться в одном и том же месте в одно и то же время, природа запрещает им поступать иначе: независимо от атома, которому они принадлежат, их волнообразные сущности нигде не пересекаются, таким образом создавая весьма жесткие условия вероятного совместного проживания в границах любого атома. У них нет иного выбора, кроме как выстраиваться вокруг ядра слоями, как у лука, и именно так они и поступают. Только два электрона могут заполнить первую, внутреннюю оболочку. Только восемь – расположиться во второй, восемнадцать – в третьей, тридцать два – в четвертой и т. д.

Эти цифры известны и одинаковы для всех известных атомов Вселенной. То, что делает один атом отличным от другого, связано с количеством содержащихся в нем электронов, а не с природой этих электронов. Электроны всегда тождественны.

Самый маленький из атомов – водород – имеет один электрон, орбиталь которого находится в пределах первой электронной оболочки. Гелий имеет два электрона. Их орбитали заполняют первую оболочку. Неон, произвольно выбранный мной третий атом, имеет десять электронов. Его первые две электронные оболочки полностью заселены электронами. Химические и механические свойства всех атомов связаны с тем, насколько заполнена их внешняя атомная оболочка.

Если вам нужно добавить к атому дополнительный электрон, не получится просто засунуть его куда заблагорассудится, и, конечно, не в уже заполненный слой. Так что если бы электроны были похожи на точки, их трудно было бы представить. Хотя они действительно могут напоминать маленькие шарики при некоторых особых обстоятельствах (вы подробно познакомитесь с ними в шестой части), но, чтобы иметь свойства волны, они не могут ими являться. А волны способны с легкостью заполнять объем. Вот почему на заполненном электронном слое не осталось совсем никакого пространства для чужаков. Если бы дополнительный электрон (сам по себе либо принадлежащий другому атому) действительно решил стать частью уже созданного атома, ему пришлось бы поселиться в сторонке от коренных жителей, там, где еще есть место, либо занять место кого-то из них, вышвырнув его оттуда. Электроны просто не выносят, когда их волнообразной сущности кто-то касается. Это – не знающий пощады мир.

Такое правило непереносимости имеет имя. Оно называется принципом запрета, или принципом Паули. Он был открыт в 1925 году швейцарским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули,[35] удостоенным за него Нобелевской премии по физике 1945 года.

Принцип запрета является причиной того, почему магниты прилепляются к дверям холодильника, не проникая внутрь, или, что может оказаться более важным, почему вы не можете проходить сквозь стены и почему вы не проваливаетесь сквозь пол. Он же объясняет, почему вы можете держать в руках эту книгу: атомы обложки обладают внешними электронами, категорически отказывающимися уступать свое место электронам кончиков ваших пальцев. И ваши электроны тоже не сдвинуть с места. Так что они сторонятся друг друга. И нет никакого способа, по которому ваша собственная сила может вынудить любой из них поступить иначе. Волны электронов не перекрываются. Никогда. Не пытайтесь проскочить сквозь стену, чтобы доказать, что я (или Паули) неправ. Вы разобьете себе нос, а электроны ничего не заметят.

И все же необходимо заметить, что, хотя электронам и нравится неприкосновенность личного пространства, они не прочь поменяться. И это позволяет им, к нашему большому счастью, создавать составляющую нас материю, что вы сейчас и увидите.

Вы собирались нырнуть в атом золота, но придется подождать, потому как раз в это время мимо пролетает атом кислорода.

Вы смотрите на него.

Меньше золота по размерам, кислород с его восемью электронами все равно гораздо больше водорода.

Его первая атомная оболочка заполнена, но есть место еще для двух электронов в крайней, внешней оболочке – второй по счету, имеющей шесть электронов, но вмещающей восемь.

Одинокие электроны атома водорода не собираются упускать такую возможность.

Поблизости как раз два атома водорода, так что, как только кислород оказывается рядом, хоп! Одиночный электрон первого атома водорода выпрыгивает и оказывается среди семьи кислорода, чтобы больше никогда не пребывать в одиночестве.

Хоп! И в тот же момент другой электрон атома водорода заполняет последнее место.

А так как все электроны Вселенной абсолютно одинаковы, никто точно не может сказать, кто очутился там в первую очередь, а кто переехал позже. Идеальная ассимиляция.

У ядра, связанного со своими электронами виртуальными жемчужинами света, нет иного выбора, кроме как следовать за ними, так что теперь три атома прочно прилипли друг к другу. Два атома водорода и один – кислорода вынуждены сожительствовать.

Места для дополнительного электрона больше нет. Вся конструкция устойчива.

Делясь своими электронами описанным выше способом, атомы становятся частью более крупных структур, называемых молекулами. Только что созданная на ваших глазах молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Два H и один O.

H₂O.

Это вода – самая ценная молекула для жизни, насколько нам известно.

В универсальном масштабе вода обычно не собирается на кухне, скорее, это происходит в космическом пространстве, внутри огромных облаков звездной пыли, разбросанных внутри галактик, называемых астрономами туманностями.

Внутри этих туманностей произведенный взорвавшимися звездами кислород смешивается с водородом, который можно обнаружить повсюду.

Когда звезды умирают, они рассеивают вокруг свои семена, прокладывая путь будущим молекулам воды. А также многим другим молекулам.

Путем обмена одним или несколькими электронами можно связать друг с другом множество атомов самыми разными способами, образовывая цепочки различной степени сложности. Таким образом, природа создала молекулы различных размеров и свойств, от совсем крошечных (молекулы воды состоят только из трех атомов) до чрезвычайно длинных, как ваша собственная ДНК, которая с ее миллиардами присоединенных атомов несет в себе всю информацию, необходимую для создания кого-то вроде вас.

Чтобы пролить свет на генезис этих молекул, с чьей помощью зародилась жизнь на Земле, и разгадать тайну происхождения воды, покрывающей сегодня 70 % поверхности нашей планеты, за последнее десятилетие в космос было отправлено множество спутников. Появилась ли вода из астероидов, столкнувшихся с нашей планетой около 4 миллиардов лет назад? Или из комет, сделавших то же самое? И принесли ли эти космические камни и ледяные глыбы или все вместе с собой молекулярные семена жизни? Мы вскоре узнаем, так как многие из этих спутников в настоящее время уже на месте или на пути туда.

А пока что мы точно знаем одну вещь: только шесть химических элементов были необходимы для создания всех необходимых для жизни и процветания на Земле молекул: углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера. Так называемые CHNOPS.

Между прочим, так как все ваше тело состоит из молекул, образованных из этих атомов, собранных различными способами, то вы – CHNOPS. Без обид.

Теперь, пока вы рассматриваете свое CHNOPS-тело, в вашем сознании всплывает другой вопрос: раз вы и воздух состоите из одних и тех же атомов, обменивающихся своими электронами, то почему тогда вы (к счастью) можете проходить сквозь воздух, но не можете пройти сквозь стену?

На самом деле важный вопрос.

Насколько нам известно, воздух наполнен атомами, которые имеют столько электронов, сколько хотите, поэтому они не должны позволить вам пройти. Никак. По принципу Паули.

Ответ в том, что не все атомы в воздухе делятся своими электронами и, следовательно, не так связаны друг с другом, как атомы, образующие твердое тело, ваше тело в частности. Вместо того чтобы препятствовать любому вашему движению, электроны, окружающие составляющие воздух атомы, раздвигаются, когда вы с силой прокладываете сквозь них свой путь, и попутно натыкаются друг на друга, создавая некий ветер. Это, кстати опять же, разница между газом и твердым телом.

В жидкости находящиеся поблизости атомы несколько теснее связаны друг с другом, но недостаточно, чтобы остановить вас, если только вы не попытаетесь проникнуть в нее слишком быстро, как при прыжке со скалы в отливающее стальным цветом море. В твердых телах атомы вообще не отходят в стороны, если их не заставить сделать это насильно – например, разрезав бумагу острыми ножницами.

И тогда, вместо того чтобы бороться за свое место, электрон будет вынужден уйти, оставив вакантное место для другого электрона. Когда атом теряет электрон (например, после попадания мощного фотона солнечного света), объединенный заряд ядра и электрона (электронов) больше не дотягивает до нуля. Лишенные одного или нескольких электронов атомы становятся тем, что ученые называют ионами.[36] Ион, как правило, ищет к чему приклеиться, чтобы образовать молекулу. На самом деле, они отчаянно пытаются найти электроны. Выражаясь терминологией физики, они бурно реагируют.

И наоборот, создаваемые электронами внутри молекулы связи могут и нарушаться. Во время таких процессов обычно выделяется энергия, а это как раз то, зачем нужна еда. Химические реакции внутри тела расщепляют содержащиеся в пище молекулы, высвобождая энергию, которая затем многофункционально используется организмом для поддержания вашей жизнедеятельности.

Замечательно.

Это завершает наш обзор крошечного мира электронов. Вы прошлись лишь по внешней части трех атомов и все же уже выяснили, насколько глубоко современная наука разбирается в ежедневно происходящих в нашем теле процессах. Так что, прежде чем распрощаться со все еще таинственным атомным ядром, я подведу итог тому, с чем вы познакомились на протяжении последних нескольких глав.

ПРИНЦИП ЗАПРЕТА ПАУЛИ НЕ ПОЗВОЛЯЕТ ЛЮБЫМ ДВУМ

ЭЛЕКТРОНАМ ОКАЗЫВАТЬСЯ В ОДНОМ И ТОМ ЖЕ МЕСТЕ

В ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ.

Наружные части всех атомов Вселенной, размытые, волнообразные, массивные электрические заряды называются электронами. Они являются фундаментальными частицами электромагнитного поля и активно защищают свое личное пространство. Принцип запрета Паули не позволяет любым двум электронам оказываться в одном и том же месте в пространстве и времени. Несмотря на то что во всех атомах Вселенной больше пустоты, чем всего остального, именно это является причиной, почему вам не удастся пройти сквозь стену, провалиться в стул, в кровать или еще во что-нибудь твердое. Иначе существование превратилось бы в искусство выживания.

Таким образом, принцип Паули приводит к структурным и химическим различиям между атомами: поскольку электроны не могут разом оказаться близко к ядру, они располагаются вроде слоев лука вокруг атомного ядра, заполняя только свободные места, что заставляет атомы расти с увеличением количества содержащихся в них электронов.

Необходимо заметить, что электроны не являются единственными частицами, подчиняющимися принципу запрета Паули. Другие частицы тоже – но не все. Свет, например, нет. Вы можете запихнуть столько фотонов, сколько хотите, в любое выбранное вами место. Они не будут возражать. На самом деле им это даже нравится, и чем сильнее похожи два фотона, тем больше они любят обниматься друг с другом, как пингвины на севере. Лазеры являются следствием такого пристрастия: они представляют собой высококонцентрированный, высокоэнергетический пучок идентичных фотонов.

Теперь, когда вы усвоили это, у вас может сложиться впечатление, что электроны и свет являются единственными частицами, с которыми стоит считаться в нашей Вселенной. Но это не так. Вы скоро увидите и другие вещи внутри атомных ядер, я просто хочу подчеркнуть, что вокруг нас существуют даже частицы, которых не заботит ни желание электронов обеспечить неприкосновенность своей личной жизни, ни их существование вообще. Или что-то еще известное нам по этому вопросу. Они представляют собой частицы, не принадлежащие атомам. Фактически некоторые из них настолько надменны, что большую часть времени выстреливают во все и вся, практически не оставляя следов. Для этих крошечных частиц Вселенная должна казаться довольно скучной и пустой. Даже Земля. Даже вы. Вы встретите их достаточно скоро.

Однако на данный момент у вас снова есть повод для праздника! С таким только что приобретенным багажом знаний об электронах и свете вы в курсе того, что было известно лишь ограниченному количеству людей полвека назад, и большинство из них были выдающимися учеными, так как получили за эти открытия Нобелевские премии.

И это еще не все.

Благодаря им теперь вы можете объяснить почти все, что происходит вокруг, от цвета помидора до твердости стены, земли или причины того, почему магниты выпрыгивают из пальцев, чтобы прилепиться к дверям холодильника.

Все, что ежедневно испытываете вы, я и все наши друзья, определяется играющими и превращающимися друг в друга материей и светом, а также электронами, категорически отказывающимися делиться своим небольшим количеством пространства-времени с точной копией самих себя.

В следующий раз, обнимая кого-то, не стесняйтесь представить себе виртуальные жемчужины света, создаваемые и становящиеся безрассудными по мере сближения ваших тел, прежде чем электроны подчинятся принципу Паули и решат, что вы не можете сблизиться еще больше. Я не уверен, что вы станете говорить об этом удивительном факте на первом свидании, но оставляю решение за вами.

Перед тем как продолжить путешествие по известной нам материи, есть еще одна хорошая новость. В 2014 году эксперименты, проведенные во впечатляющих подземных научных лабораториях Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН), расположенного на границе Швейцарии и Франции, подтвердили, что человечество теоретически обнаружило все, что нужно знать о составляющей нас материи.

Все.

Это не означает, что тайн больше не осталось (в шестой части их будет предостаточно). Но это означает, что начиная с 2014 года мы имеем картину известного содержания Вселенной, в значительной степени соответствующую всему, что можно исследовать или обнаружить в пределах действия современных технологий.

Картина, включающая в себя атомные ядра, которые вы сейчас готовы рассмотреть.

И если в вашу душу закралось предчувствие, что там снова обнаружатся странные вещи, вы абсолютно правы.